2013鲁科版必修二61《高速世界》ppt课件

2020 2 24 2020 2 24 一 导入新课1900年的4月27日 在英国伦敦皇家研究所举行的科学报告会上 一位德高望重的老科学家开尔文作了一个演讲 题目是 在热和光动力理论上空的19世纪乌云 他的第一段话是这么说的 2020 2 24 动力学理论断言 热和光都是运动的方式 但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽 显得黯然失色了 Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory whichassertsheatandlighttobemodesofmotion isatpresentobscuredbytwoclouds 这个 乌云 的比喻后来被反复地引用 联系到当时人们对经典物理学成就的乐观情绪 许多时候这个表述又变成了 物理学晴朗天空的远处 漂浮着两朵小小的令人不安的乌云 2020 2 24 这两朵 乌云 是 1 板书 迈克尔逊 莫雷实验 1881年 1887年间 研究光沿不同方向传播速度的差异 2 板书 热辐射实验 1900年左右 研究热辐射的能量与温度的关系 这两个实验所观测到的现象用当时已有的物理学理论无法进行合理的解释 正是这两朵的乌云 不久以后酿成了物理学中一场巨大的变革 我们先来看看物理学的天空中这令人不安的第一朵 乌云 光沿不同方向传播的速度是否相同 2020 2 24 二 新课教学 1 高速世界的两个基本原理经典力学的研究表明所有的机械波都必须通过介质才能传播 麦克斯韦的电磁场理论揭示了光就是电磁波 光既然是波 当时人们自然要想 传播光波的介质是什么呢 当时的物理学家假定这种介质叫做 以太 整个宇宙空间都充满了 以太 认为 以太 是非常稀薄 密度极小的 完全透明的 难以感觉到的介质 按照经典的波动理论 这种介质的弹力又是极其大的 光波才会在里面有如此巨大的传播速度 是一种使人感到奇怪的介质 2020 2 24 思考 如果我们在静止的空气中快速前进 就会感觉到有风迎面吹来 为什么 因为虽然空气相对于地面是静止的 但空气相对于我们正在前进的人却是运动的 地球是用30km s的速度在宇宙中绕太阳运动的 如果 以太 这种介质充满了宇宙 也必然会有30km s的 以太风 迎着地球吹来 我们能观测到这种 以太 风吗 2020 2 24 2020 2 24 问题 宇宙中充满了传播光的介质 以太 地球又在宇宙中运动 设光在 以太 中的传播速度为c 地球相对于 以太 运动的速度为v 那么当光的传播方向与地球的运动方向相同时 以地球为参照物时 会测得光的速度是多大呢 u1 c v 当光的传播方向迎着地球的运动方向而来时 以地球为惯性参照物又会测得光速为多大呢 生 应该是u2 c v 2020 2 24 如果以地球做惯性参照物 不同方向的光 电磁波 的速度的确有不同的话 就说明麦克斯韦理论描述的电磁波各个方向速度相同的规律 只有在用 以太 为惯性参照物时才是适用的 在用地球这类相对于 以太 运动的物体做参照物时电磁波各个方向速度相同的规律就不适用了 就会导致 不同的惯性参照系中物理规律是不同的 这样一个结论 美国物理学工作者迈克尔逊和莫雷在1881至1887年间在不断提高实验精确度的过程中 反复做了同一个实验 把仪器固定在地面上与地球一起运动 在光顺着地球运动方向传播 逆着地球运动方向传播 以及光传播方向与地球运动方向垂直时 不同情况下测量光速的差异 令人惊异的实验结果是 以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有差异 这个著名的实验后来物理学界把它叫做迈克尔逊 莫雷实验 2020 2 24 板书 迈克尔逊 莫雷实验结果 以地球为惯性参照物时测得各个方向的光速没有超出实验误差范围的明显差异 这样的实验结果 与经典的物理学理论产生了难以调和的矛盾 令人感到不安 怎么办 许多物理学工作者对迈克尔逊 莫雷实验的结果提出了一些使人感到牵强的解释 无法从根本上解决问题 比如 以太 牵引说 洛仑兹收缩说 等 爱因斯坦的办法 于1905年写了一篇论文提出了他的想法 1 相对性原理 物理规律在一切惯性参照系中都具有相同的形式 2 光速不变原理 在一切惯性系中 测量到的真空中的光速c都一样 2020 2 24 2 时间延缓效应 问题 静止的观测者 顺着光速方向运动的观测者 逆着光速方向运动的观测者 光相对于他们通过的位移是不同的 测量到的光速却都是一样的 这是为什么呢 生猜想 可否认为不同的惯性参照系中测得的时间也是不相同的呢 观测者测得光通过的距离较长时 如果他测得的时间也较长 则光速有可能是一样的 师 爱因斯坦也正是这么想的 讨论 假定一辆列车以速度v相对于地面匀速运动 静止在车厢里的人手持一个光源 从车厢的地板竖直向上将一束光射向顶部的一面反射镜 然后又反射回车厢的地板 设车厢中的顶部和地板之间的高度为d 则在车厢中以车厢为惯性参照物的观察者看来 光在空中来回 的过程中 所测得的时间为 t 则光速是多大呢 参看教学资料上的插图 2020 2 24 这个关系式很重要 我们虽然是从 光在空中来回 这一特殊事件中推导出来的 但在爱因斯坦在相对论中作了更复杂 更充分的推导认为它是一个对各种事件都普遍适用的公式 例题 有一个实验事实 在宇宙射线中会产生一种微观粒子叫做 子 在实验室中测算出它们静止时的平均寿命 存在时间 是 2 2 10 6秒 按照经典的时空观 时间是孤立的 与惯性参照物无关 子以接近光的速度运动 v 0 998c 时 在这段时间内 子能飞过的平均路程只有 s c 3 108 2 2 10 6 660m 然后 子就会消失 可是对宇宙射线的大量观测却发现 大部分高速 子能够从约10km的高空大气层到达海平面 这是为什么呢 可以用相对论来解释吗 2020 2 24 分析 假设有一辆列车和 子一起速度v 0 998c运动 子相对于列车是静止的 因此 以列车为惯性参照物 测得 子的寿命就是 子静止时的寿命 2 2 10 6秒 而以地面做参照物时 子是运动的 地面上的钟测得其寿命将是 在这段时间内 子能飞过的平均路程有 s c 3 108 3 48 10 5 10 44km 相对于光速c而言 通常的运动物体 如飞机 火箭 其速度v都远远小于光速c 时间延缓效应是可以忽略不计的 所以我们认为当物体的速度远远小于光速时 经典物理学的时空观还是有效的 没有必要彻底抛弃 只有在物体高速运动时 经典物理学的时空观才不再适用了 板书 经典物理学时空观的局限性 只在低速 与光速相比较 条件下有效 2020 2 24 3 长度收缩效应 爱因斯坦在相对论中通过推导得出了 运动惯性参照系上尺度缩短效应注意 其实并不是车上尺子本身的长度真的发生了收缩 这是由于相对论的时空关系导致的结果 例题 对于前面在时钟延